Università di PisaCorso di Laurea in Terapia Occupazionale

C d l ll l lCorso di Bioingegneria applicata alla Realtà VirtualeAnno Accademico 2009/2010

Il biofeedback nella riabilitazione neuro-motoria

Ing. Stefano Mazzoleni, PhD

Biofeedback: definizione

Significa letteralmente “retroazione biologica”.

Procedura clinica consistente nel presentare ad un paziente,con l’ausilio di specifiche apparecchiature, informazionip pprelative a funzioni fisiologiche/motorie del paziente stesso,aumentando la consapevolezza della propria efficienzaf i lfunzionale.

Metodica non invasiva, non farmacologica e generalmenteMetodica non invasiva, non farmacologica e generalmentepriva di effetti secondari.

Tecnica utilizzata nella riabilitazione di muscoli, a seguitodi ictus, trauma cerebrale o lesioni midollari.

Biofeedback: fasi

1. Una certa funzione corporea (es. tensione muscolare,posizione dell’arto, ecc.) viene monitorata con l’uso di

“ d h ”sensori “ad hoc”.

2 I segnali registrati vengono usati per elaborare segnali2. I segnali registrati vengono usati per elaborare segnaliacustici, visivi o stimolazioni meccaniche da fornire alpaziente.p

3. Il paziente può sfruttare queste informazioni per impararell i i li l i la controllare, potenziare e migliorare volontariamente la

funzione monitorata.

Biofeedback: tipologie

t ti

Biofeedback

statico

Biofeedback

dinamicodinamico

Biofeedback statico

Metodica tramite cui un paziente, in una posizione statica omentre svolge un semplice movimento non connesso allementre svolge un semplice movimento non connesso alleattività di vita quotidiana, impara a regolare un determinatoparametro attraverso un’indicazione specifica.pa a et o att a e so u d ca o e spec ca.

Es.: Biofeedback elettromiografico (EMG)

Applicazioni

I campi di applicazione del Biofeedback sono numerosi, tra iquali:quali:

Terapia del dolore: emicrania, mal di testa da tensione,e ap a de do o e: e c a a, a d testa da te s o e,sindrome cervicale, mal di schiena

Problemi neuromuscolari: distonia (bruxismo), paralisiparziale, incontinenza

Problemi psicosomatici: ipertonia essenziale, morbo diRaynaud asma sindrome da iperventilazione tinnitoRaynaud, asma, sindrome da iperventilazione, tinnitoauricolare

Problemi psicologici: disturbi dell’ansia (fobie, attacchi dip g ( ,panico)

Riduzione e prevenzione dello stress

L’efficacia di Biofeedback

Numerosi studi dimostrano l’efficacia di biofeedback inun’ampia gamma di settoriun ampia gamma di settori.

Per alcuni sintomi (ad esempio mal di testa, mal di schiena,e a cu s to (ad ese p o a d testa, a d sc e a,incontinenza) il Biofeedback è una delle più efficaci terapiedisponibili – col vantaggio aggiuntivo che non ha effetticollaterali negativi.

È inoltre una procedura accettata tranquillamente daiÈ inoltre una procedura accettata tranquillamente daipazienti.

Biofeedback EMGScopo: misurare l’attività dei vari gruppi muscolari per fornire alpaziente informazioni continue (in tempo reale) sullo stato dit i l l' bi tti di f i l distensionetensione muscolare con l'obiettivo di favorirne la distensioneed il rilassamento o di migliorarne l’utilizzo.

Il parametro monitorato (attivazione muscolare) non appartieneall'insieme delle attività mediate dal sistema nervoso autonomo, maricade per la maggior parte sotto il controllo diretto della volontà,ricade per la maggior parte sotto il controllo diretto della volontà,anche se spesso si sviluppano tensioni muscolari inconscie in varidistretti corporei.

Budzynski e Stoya (1969) dimostrarono che i soggetti chericevevano un feedback acustico del grado di tensione del muscolo,riuscivano a fare abbassare notevolmente in poche sedute il segnaleregistrato e quindi l’attivazione del muscolo in esame, conseguendocon ciò un effetto di rilassamento generale .con ciò un effetto di rilassamento generale .

Sperimentazioni cliniche: post-ictus

Studio su 12 soggetti colpiti da ictus (età media 62,3)

Analisi quantitativa iniziale della loro camminata (tramite EMG,sistema optoelettronico e piattaforma Kistler)

Protocollo riabilitativo con EMG BFB, confrontato con la terapiatradizionale

Miglioramenti della velocità della camminata (lenta e insicura in seguitoa ictus) e di altri parametri, rispetto al gruppo di controllo:g

camminata velocemassima estensione dell’ancamassima flessione del ginocchiomassima flessione del ginocchioleggero aumento della massima capacità di flessione delle caviglie

Jonsdottir et al., Quantitative analysis of the effect of a rehabilitation protocol usingJ y p gEMG BFB to improve gait in chronic stroke patients, SIAMOC Abstracts, 2006

Sperimentazioni cliniche: lesioni al ginocchioStudio con 13 soggetti adulti (età 26±5 anni, peso 70±7 kg, altezza 177±6cm)P t ll h i hi d t i l 40% d ll MVC d l lProtocollo che richiede una contrazione al 40% della MVC del muscoloestensore del ginocchio della gamba destra.Prevede 2 sessioni:

t t t t kconstant-torque taskconstant-EMG task

Nel task in cui i soggetti controllano il tono muscolare con EMG BFB siNel task in cui i soggetti controllano il tono muscolare con EMG BFB siottengono maggiori alterazioni del processo di eccitazione-contrazione.

Durante il “constant-EMG task” si è in grado di matenere la contrazionei d iù l ( i h iò i d t ll iper un periodo più lungo (si pensa che ciò sia dovuto alla maggiore

perfusione dei muscoli estensori durante questo task)

Per essere usato durante la fase iniziale della riabilitazione, l’EMG BFBPer essere usato durante la fase iniziale della riabilitazione, l EMG BFBdovrebbe essere somministrato ad una bassa intensità, così da evitarepossibili effetti negativi ai pazienti.

Place et al Neuromuscular fatigue differs with BFB type when performing aPlace et al., Neuromuscular fatigue differs with BFB type when performing a submaximal contraction, Journal of Electromiography and Kinesiology, 2006

Sperimentazioni cliniche: sindrome di dolore patellofemorale

Sindrome comune (colpisce soprattutto le donne; dal 10% al28% della popolazione generale di età compresa tra 10 e 35anni) caratterizzata da un dolore diffuso nella parteanni) caratterizzata da un dolore diffuso nella parteanteriore del ginocchio.L’attività elettrica del muscolo vasto mediale obliquo (VMO)è debole rispetto a quella del vasto laterale (VL), risultandop q ( )in un rapporto del segnale EMG tra VMO e VL piuttostobasso, normalmente minore all’unità

St di 26 tti (16 d 10 hi) di tàStudio su 26 soggetti (16 donne e 10 maschi) di etàcompresa tra 20 e 55 anni, colpiti da PFPS, divisi in 2 gruppi:

Exercise groupEMG-Biofeedback + exercise groupEMG-Biofeedback + exercise group

Dopo 8 settimane di training si sono osservati cambiamentinel rapporto dei due segnali EMG in entrambi i gruppi; lepp g g pp ;differenze tra pre-training e post-training sono molto piùsignificative per il gruppo sottoposto ad un protocollo EMG-BFB

Ng et al BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects Ng et al., BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects with patellofemoral pain syndrome, Journal of Electromiography and Kinesiology, 2006

Sperimentazioni cliniche: sindrome di dolore patellofemorale

Ng et al BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects Ng et al., BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects with patellofemoral pain syndrome, Journal of Electromiography and Kinesiology, 2006

Biofeedback EMG: conclusioni

Sebbene l’EMG sia stato usato molto frequentemente, non può tuttaviaessere la migliore fonte di biofeedback per migliorare il controllog p gmotorio.Studi sul biofeedback EMG hanno mostrato che i pazienti possonomigliorare il controllo volontario dell’attività dei muscoli sottomigliorare il controllo volontario dell attività dei muscoli sottoallenamento e/o aumentare il range di movimento di un giunto che ilmuscolo controlla.E i i i i i ll’ ffi i d l bi f db k EMGEsistono opinioni contrastanti sull’efficacia del biofeedback EMG:

Schleenbaker e Mainous hanno evidenziato un miglioramentostatisticamente significativo con l’uso del biofeedback EMGDiversi studi hanno invece concluso che può essere ottenuto solo unpiccolo miglioramento.Il biofeedback EMG fornisce effetti positivi solo se la misura è relativa alIl biofeedback EMG fornisce effetti positivi solo se la misura è relativa alcontrollo di un muscolo o giunto specifici.La terapia con biofeedback EMG può produrre solo specifici e limitatieffetti nel recupero delle funzioni motorieeffetti nel recupero delle funzioni motorie

Esempio di sistema per utilizzo di Biofeedback EMG

a) Interfaccia softwareb) Amplificatore EMG

ab) Amplificatore EMGc) Elettrodi per EMG di

superficiepb

cc

Biofeedback dinamico

Lo scopo della riabilitazione per un paziente con deficitmotori è riacquistare l’abilità nell’affrontare task funzionalimotori è riacquistare l abilità nell affrontare task funzionali.

Di conseguenza, noto che le ADL (Activities of Daily Living)richiedono esplicitamente un’interazione tra sistema muscolarerichiedono esplicitamente un interazione tra sistema muscolareed ambiente, un efficace training motorio dovrebbecomprendere movimenti ed ambiente esterno simili ad unpdeterminato task funzionale.

Da qui il passaggio da uno biofeedback statico ad unDa qui il passaggio da uno biofeedback statico ad unbiofeedback dinamico, chiamato anche task-orientedbiofeedback, volto a rieducare il sistema motorio a svolgereprecise funzioni piuttosto che controllare singoli muscoli oattività di singole articolazioni.

Biofeedback dinamicoDurante il training del task funzionale, è importante scegliere la

variabile da usare come feedback. Questa scelta dipende da:Meccanismo di controllo motorio

Tipo di task

Scopo della terapia

Condizioni fisiche dello specifico paziente

Modelli attuali, usati per il controllo motorio, indicano come ottimavariabile di feedback la traiettoria dell’end effector (ad esempio laposizione della mano durante il movimento di reaching di unposizione della mano durante il movimento di reaching di unoggetto), piuttosto che gli andamenti dell’attività muscolare di unsingolo muscolo.

Inoltre in caso di task non solo di reaching, ma anche di grasping, sipotrebbero utilizzare anche l’orientamento della mano nello spaziod il ll d ll f di d ll’ed il controllo della forza di presa dell’oggetto

Information/sensory fusion

Usando più variabili di feedback emerge un altro problema:sovraccaricare il paziente di troppe informazioni! Si trattap ppinfatti di persone con abilità ridotte e che hanno subito dannidal punto di vista cognitivo e percettivo.

INFORMATION/SENSORY FUSION: integrazione diflussi di informazioni dinamici e mutevoli provenienti dasorgenti multimodali per monitorare lo stato del sistema,istante per istante.

Questo tipo di approccio è analogo alle informazioni difeedback fornite dai terapisti mentre il paziente compie und i i ( k)determinato compito (task).

Information/sensory fusion

Architettura generale di un sistema di biofeedback task-oriented con input multimodalitask oriented con input multimodali

Metodologia di progettazione del sistema

Lo scopo del sistema è fornire al paziente una valutazionedella sua performance in tempo realedella sua performance in tempo reale.

Con l’uso di stimoli sensoriali multimodali, aumental’ tt i d l i t i d t i t t k iòl’attenzione del paziente a compiere un determinato task e ciòè un vantaggio per la riabilitazione neuromotoria.

Per promuovere questa riabilitazione, il sistema di biofeedbackdeve essere INTERATTIVO con il paziente da rieducare,fornendogli informazioni per fare eseguire correttamente ifornendogli informazioni per fare eseguire correttamente imovimenti successivi. (IME: Interactive and MultimodalEnvironment).)

L’IME ed il task di training sono personalizzabili a secondadelle esigenze del pazientedelle esigenze del paziente.

Risultati

Dai risultati preliminari si è visto che un sistema di biofeedbackcome quello precedentemente descritto è di aiuto per migliorare leco e que o p ecede te e te desc tto è d a uto pe g o a e eprestazioni nei movimenti di reaching in persone con deficitneuromotori.

Infatti il feedback visuale amplificato facilita la consapevolezza dieventuali errori nel movimento e di conseguenza riduce l’errorespaziale della traiettoria dell’end pointspaziale della traiettoria dell end-point.

I risultati suggeriscono che il “sensory overloading” non destatroppe preoccupazioni purché vi sia un’ottima disposizionetroppe preoccupazioni, purché vi sia un ottima disposizioneorganizzativa multimodale del feedback amplificato.

Infine il feedback multimodale potrebbe portare beneficiInfine, il feedback multimodale potrebbe portare beneficiall’utente per migliorare le prestazioni nei movimenti di reaching(più fluidi, non “a scatti”) e ridurre movimenti compensatori ditronco e spalla (indesiderati).

Risultati

L’utilizzo di un feedback visivo aumentato e di unouditivo permette di migliorare la riabilitazioned ll’ d hdell’arto superiore in compiti di reaching, in soggettiemiparetici.

I risultati sono migliori rispetto al semplice feedbackg p pvisivo.

Le prestazioni sono paragonabili a quelle dell’artosanosano.

Huang et al 2005Huang et al.,.2005

Il feedback visivo e l’uso di carrozzine

Obiettivo: fornire al pazienteinformazioni riguardanti la forzagorizzontale applicata alle ruote al fine dimigliorare l’efficienza della spinta.

Non sono stati ottenuti risultati né su soggetti esperti né su soggettiisenza esperienza:

i soggetti esperti potrebbero aver già ottimizzato la modalità dii tspinta

la misura usata nel feedback potrebbe essere poco significativaKotajarvi et al., The Effect of Visual Biofeedback on the Propulsion Effectiveness of Experienced Wheelchair Users, Arch Phys Med Rehab, 2006

L’utilizzo della realtà virtuale

L’utilizzo della realtà virtuale può rendere il feedback più efficaceessendo:esse do:

multimodale

tt tti ti tattrattiva e motivante

facile da comprendere

La realtà virtuale può permettere di misurare il recupero dellep p pcapacità motorie e migliorare l’apprendimento motorio, grazie allapossibilità di mostrare all’utente:

Knowledge of Results

Knowledge of Performance

Riabilitazione della postura e dell’equilibrio

Il soggetto interagisce con dei videogiochii d l i tvariando la propria postura.

Si riesce a motivare il paziente senzadover usare complicati e costosi sistemi didover usare complicati e costosi sistemi direaltà virtuale.

Si sono ottenuti dei miglioramenti nelSi sono ottenuti dei miglioramenti nelcontrollo della postura.

Usando tappetini più grandi si potrebberopp p g pimplementare videogiochi più complessi.

Un limite di questa tecnica è dovuta al fatto che un tappetino malsimula le situazioni di vita reale, in cui le superfici sono raramenteregolariregolari. Betker et al., Video Game-Based Exercise for Balance Rehabilitation: A Single-Subject Design, Arch Phys Med Rehab, 2006

Feedback uditivo

Un feedback uditivo può aiutare i pazienti a migliorare la coordinazione.

Un approccio prevede l’uso delle note:Un approccio prevede l uso delle note:

l’altezza della nota rappresenta la distanza della mano dal target

la durata della nota rappresenta la velocità del movimentola durata della nota rappresenta la velocità del movimento

Un movimento spastico verrà riconosciuto per l’irregolarità dellamelodia e il paziente verrà motivato verso un miglioramento.

Feedback uditivo

Il feedback uditivo è usato per migliorarel’equilibrio.q

Il feedback è fornito attraverso delle cuffie.

Per riconoscere lo spostamento dalla verticalePer riconoscere lo spostamento dalla verticalesono usati degli accelerometri.

Spostandosi in avanti la nota sentitaaumenta di tono (e viceversa andandoindietro).

Per inclinazioni laterali aumenta il volumePer inclinazioni laterali aumenta il volumedalla parte dell’inclinazione

COP: Center of Pressure

Il controllo dell’equilibrio migliora significativamente.COP: Center of Pressure

Dozza et al., Audio-Biofeedback Improves Balance in Patients with Bilateral Vestibular Loss, Arch Phys Med Rehab, 2005

Feedback tattile

Feedback tattile per la prevenzionedell’insorgenza di ulcere cutanee e perg pcontrollo/correzione della postura in soggetticon lesioni midollari.

Sistema wireless “TongueDisplay Unit”: matrice 6x6p ydi elettrodi miniaturizzati ecircuito a radiofrequenza

Vuillerme et al., Pressure sensor-based tongue-placed electrotactile biofeedback for balance improvement - Biomedical, g p papplication to prevent pressure, 29th Annual International Conference of the IEEE EMBS, 2005

Biofeedback e teleriabilitazione

Le nuove tecnologie permettono di implementare un biofeedbackt k i t d i t ti di i d ll d li t dtask-oriented in contesti diversi da quello ospedaliero, consentendoanche una teleriabilitazione.

Una possibilità è registrare i segnali provenienti da diversi sensori etrasmetterli ad una stazione remotatrasmetterli ad una stazione remota.

E’ stato anche testato un sistema di realtà virtuale soggettivaaccessibile via Internet e adattabile ai bisogni e ai progressidell’utente mediante software o con l’intervento in remoto di undell utente mediante software o con l intervento, in remoto, di unmedico.

Sistema portatile per biofeedback

E’ stato realizzato un sistemaportatile modulare per lap priabilitazione della postura edell’equilibrio.

Esso consiste dei seguenti nodi,collegati in wireless:

sensorisensorigatewayPDAattuatori

Wireless Body Area Network (WBAN)

attuatori

Il sistema risulta essere: portatile, economico, a basso dispendiop , , penergetico, flessibile e modulare, di facile utilizzo.

Brunelli et al., Bio-feedback System for Rehabilitation Based on a Wireless Body Area Network, IEEE Proc Perv Comp & Comm, 2006

Conclusioni

Il Biofeedback è una metodica utilizzabile nell’ambito dellariabilitazioneriabilitazione.

E’ necessario però valutare approfonditamente il livello dii i hi t il i l i t d li t tiimpegno richiesto e il coinvolgimento degli utenti.

Diversi studi dimostrano l’efficacia del Biofeedback, maservono ulteriori studi più approfonditi per valutarne leprestazioni.

E’ necessario verificare che i risultati ottenuti durante lariabilitazione, soprattutto nel caso del Biofeedback task-

i t d i t f ibili ll tti ità di t tti i i i (ADL)oriented, siano trasferibili alle attività di tutti i giorni (ADL).